三維打印技術(shù)在經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療的應(yīng)用進(jìn)展

王慶濤　王玉璟*

三維打印技術(shù)在經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療的應(yīng)用進(jìn)展

王慶濤①王玉璟①*

三維打印技術(shù)是在三維圖像指導(dǎo)下，通過(guò)逐層和不間斷地疊加特殊材料，進(jìn)而生成三維實(shí)體模型的技術(shù)，是近些年來(lái)發(fā)展非常迅速的一項(xiàng)新技術(shù)。三維打印產(chǎn)品已經(jīng)滲透到生活的方方面面。隨著醫(yī)學(xué)影像學(xué)三維技術(shù)和材料工程學(xué)的不斷成熟，三維打印技術(shù)正在逐步應(yīng)用到醫(yī)療實(shí)踐中，其中在骨科、先天性心臟病治療以及瓣膜置換的發(fā)展最為成熟。本研究通過(guò)討論三維打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，從技術(shù)教學(xué)、醫(yī)患溝通及手術(shù)預(yù)演等方面探討三維打印技術(shù)在經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療中的臨床應(yīng)用價(jià)值和未來(lái)的發(fā)展。

三維打?。唤?jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入；教學(xué)模型；技術(shù)教學(xué)

［First-author's address］ Department of Cardiology， The First Affiliated Hospital of Yangtze University， Jingzhou 434000，China.

三維打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，是指在三維圖像的指導(dǎo)下，將“打印材料”（塑料、樹(shù)脂、硅膠及生物材料等）一層層疊加起來(lái)，最終將計(jì)算機(jī)上的三維圖像變成實(shí)物的一項(xiàng)新技術(shù)。伴隨著三維成像技術(shù)和材料工程學(xué)的飛速發(fā)展，三維打印技術(shù)表現(xiàn)出無(wú)限的潛能。由于德國(guó)三維打印聯(lián)盟率先在其國(guó)內(nèi)大力推廣這一技術(shù)，使其在三維打印領(lǐng)域一直處于全球領(lǐng)先的地位。之后英國(guó)、美國(guó)、歐盟以及比利時(shí)相繼成立相關(guān)研究所，投資巨額資金大力推廣三維技術(shù)。2013年5月，我國(guó)科技部將三維打印技術(shù)納入國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）［1］。此舉為三維打印技術(shù)在我國(guó)的行業(yè)發(fā)展提供了契機(jī)，是邁入“中國(guó)制造”堅(jiān)實(shí)的一步。

1　三維打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

三維打印技術(shù)的日臻成熟，使其不再局限于“高端科技”的范疇，而是滲入到人們生活的方方面面，如各種高雅藝術(shù)品、食品以及各種生活用品和醫(yī)療用品，而在醫(yī)療應(yīng)用方面已經(jīng)是三維打印最重要的發(fā)展方向之一。三維打印的最大優(yōu)勢(shì)就是個(gè)性化定制，即通過(guò)機(jī)器掃描物體獲取數(shù)字化的模型信息，經(jīng)過(guò)軟件處理后建立其三維模型并進(jìn)行打印，可實(shí)現(xiàn)完美復(fù)制或重構(gòu)；由于不同患者的骨骼、牙齒及器官存在著差異性，故三維打印在醫(yī)療領(lǐng)域?qū)⑵鋫€(gè)性定制化的特征發(fā)揮得淋漓盡致［2-3］。目前，三維打印在醫(yī)療方面的應(yīng)用包括3大類。

（1）體外醫(yī)療器械。主要有各種材料打印的義肢、用于教學(xué)和科研的醫(yī)療模型、健康輔具以及助聽(tīng)器等。

（2）定制化永久植入物。使用各種材料（鈦合金、不銹鋼及生物陶瓷等）打印的牙齒、關(guān)節(jié)、骨骼及軟骨等產(chǎn)品，通過(guò)外科手術(shù)方法植入。

（3）生物打印。利用生物材料（干細(xì)胞、生長(zhǎng)因子及各種營(yíng)養(yǎng)成分等）打印出具有生物活性和生理功能的組織結(jié)構(gòu)，為研制出人體組織替代物奠定了基礎(chǔ)。

2　三維打印技術(shù)在心血管方面的應(yīng)用

隨著影像學(xué)檢查技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是三維重建技術(shù)的出現(xiàn)，醫(yī)生可以更加清晰地觀察組織病變的三維立體結(jié)構(gòu)。而且對(duì)于許多復(fù)雜性先天性心臟病、瓣膜病及大血管類疾病等，其診斷和治療的關(guān)鍵在于清晰地認(rèn)識(shí)患者病變部位的解剖結(jié)構(gòu)。但三維重建技術(shù)有時(shí)也難以清晰和直觀地觀察病變內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，從而給這類疾病診斷及治療帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。三維打印技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用可通過(guò)制作病變組織的三維模型，使術(shù)者更加直觀的認(rèn)識(shí)病變處的空間解剖結(jié)構(gòu)，幫助制訂外科或介入手術(shù)方案，并且在模型上亦可模擬手術(shù)過(guò)程［4］。

通過(guò)斷層掃描，在三維重建的基礎(chǔ)上利用適合的材料打印出心臟模型，是CT及磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）作為建模工具的依據(jù)。海倫·德沃斯兒童醫(yī)院先天性心臟病中心專家發(fā)現(xiàn)，用三維經(jīng)食道超聲心動(dòng)圖（three-dimensional-trans esophageal echocardiography，3D-TEE）也可以構(gòu)建出先天性心臟病患者的心臟三維打印模型，并且CT結(jié)合3D-TEE可以更準(zhǔn)確的打印出心臟模型。CT、MRI以及3D-TEE這3種方法構(gòu)建出的模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合起來(lái)可以提高打印的精準(zhǔn)度［5］。目前，三維打印技術(shù)在經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入（percutaneous coronary intervention，PCI）治療、瓣膜置換、先心病修補(bǔ)、心臟移植以及主動(dòng)脈瘤支架等方面應(yīng)用廣泛［6-14］。

3　三維打印技術(shù)在PCI治療中的應(yīng)用

3.1用于科研教學(xué)

三維打印技術(shù)在PCI治療中醫(yī)學(xué)生教學(xué)和院內(nèi)青年醫(yī)生的專業(yè)技術(shù)教學(xué)應(yīng)用。

3.1.1醫(yī)學(xué)生教學(xué)

由于二維圖像的局限性，醫(yī)學(xué)生無(wú)法對(duì)于接觸到的醫(yī)學(xué)知識(shí)有深入的了解，所以通過(guò)具象化的方式將各個(gè)組織器官呈現(xiàn)在學(xué)生面前，是三維打印應(yīng)用于教學(xué)最好的方式，可激發(fā)學(xué)生的好奇心和積極性。Costello等［15］探討了高保真三維室間隔缺損模型可促進(jìn)醫(yī)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)和概念的了解，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生對(duì)相關(guān)領(lǐng)域醫(yī)學(xué)知識(shí)的興趣，對(duì)促進(jìn)醫(yī)學(xué)事業(yè)的發(fā)展起了積極的作用。Preece等［16］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)學(xué)習(xí)各種解剖學(xué)知識(shí)時(shí)，實(shí)體三維模型更容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。將抽象的概念轉(zhuǎn)化成具體的、可觸及的實(shí)物，使學(xué)生更加直觀和深刻的認(rèn)識(shí)各種組織器官，包括其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面血管走形，尤其是心臟、腦組織及血管網(wǎng)絡(luò)等結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的器官。心臟的血供豐富，血管走形復(fù)雜，內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)精細(xì)是醫(yī)學(xué)生不易理解的幾大難點(diǎn)，而現(xiàn)有的教學(xué)模型較粗糙、內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)無(wú)法顯現(xiàn)是最大的問(wèn)題。

目前，采用立體光固化成型（stereo lithography appearance，SLA）光敏樹(shù)脂材料的光固化技術(shù)三維打印透明的心臟模型，可以清楚看到心臟內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面血管。同時(shí)，國(guó)外科學(xué)家發(fā)現(xiàn)利用生物細(xì)胞材料可打印出具有生物活性的心臟，并能夠存活數(shù)小時(shí)，這是醫(yī)學(xué)界另一大突破，為將來(lái)研究組織器官替代物奠定了基礎(chǔ)［17］。三維心臟建模示意如圖1所示。

圖1　三維心臟建模示意圖

3.1.2PCI專業(yè)技術(shù)教學(xué)

青年醫(yī)生是醫(yī)學(xué)科學(xué)事業(yè)的中流砥柱，是與患者零距離接觸的臨床醫(yī)生，其專業(yè)水平直接影響到患者的生命健康，因此培養(yǎng)其專業(yè)技術(shù)的硬件設(shè)施非常關(guān)鍵。在PCI治療中，對(duì)心內(nèi)科醫(yī)生的專業(yè)技術(shù)水平要求非常之高，通常需要具備高級(jí)職稱且行PCI治療＞10年的醫(yī)生方能獨(dú)立進(jìn)行手術(shù)。心臟介入的第一步是通過(guò)股動(dòng)脈或者橈動(dòng)脈路徑進(jìn)入動(dòng)脈循環(huán)，在此過(guò)程中需要避免可能發(fā)生的出血、血栓以及動(dòng)脈內(nèi)膜剝離等并發(fā)癥。由于此血管路徑本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，青年醫(yī)師對(duì)疾病的了解限于對(duì)二維圖片的解讀，即使是三維圖像的旋轉(zhuǎn)，也是多幅二維圖像的連續(xù)播放而已，且由于血管間的重疊，無(wú)法分辨其真實(shí)的空間結(jié)構(gòu)。Miller等［18］利用三維打印技術(shù)制造出一種人工搏動(dòng)血管，高保真的模擬生理狀態(tài)下動(dòng)脈的壓力，使住院醫(yī)師能夠更好地加強(qiáng)對(duì)介入治療的入門訓(xùn)練。

三維打印技術(shù)可以讓青年醫(yī)生更快更好地掌握這門技術(shù)，采用SLA光敏樹(shù)脂材料的光固化技術(shù)三維打印可以構(gòu)建從股動(dòng)脈或者橈動(dòng)脈達(dá)到心臟冠狀動(dòng)脈的完整的路徑，青年醫(yī)生不再是通過(guò)屏幕上的二維圖像、合成的三維圖像來(lái)學(xué)習(xí)，而是通過(guò)模型實(shí)際操作，真實(shí)的感受利用導(dǎo)絲從外周動(dòng)脈行至冠狀動(dòng)脈的過(guò)程（如圖2所示）。

圖2　SLA光敏樹(shù)脂三維打印原理圖

三維打印技術(shù)可以利用生物細(xì)胞材料打印出仿真血管，使青年醫(yī)生在模擬PCI時(shí)感受更加真實(shí)。入圍國(guó)家“863計(jì)劃”的四川藍(lán)光英諾生物科技股份有限公司在三維生物打印血管項(xiàng)目上取得了突破性的進(jìn)展，自主研發(fā)了三維生物血管打印機(jī)，三維生物血管打印機(jī)可以打印血管獨(dú)有的中空結(jié)構(gòu)和多層不同種類的細(xì)胞，這是世界首創(chuàng)［19］。三維打印技術(shù)構(gòu)建的PCI血管仿真模型作為一種過(guò)渡的教學(xué)手段，縮短了心血管醫(yī)生培養(yǎng)的周期，增加了實(shí)際操作的機(jī)會(huì)，豐富了青年醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，PCI血管仿真模型如圖3所示。

圖3　PCI血管路徑心臟建模輸出后心臟和血管模型示圖

3.2用于醫(yī)患溝通

醫(yī)患溝通是穩(wěn)定醫(yī)患關(guān)系最重要的一環(huán)，是減少甚至杜絕醫(yī)患矛盾糾紛的必由之路，如何進(jìn)行醫(yī)患溝通是一門科學(xué)。造成醫(yī)患關(guān)系不穩(wěn)定的最主要原因?yàn)獒t(yī)院的醫(yī)療費(fèi)用高、醫(yī)患之間不信任、醫(yī)生溝通技巧欠佳以及醫(yī)患之間信息不通暢等。采用SLA光敏樹(shù)脂材料的光固化技術(shù)三維打印PCI血管路徑，醫(yī)生利用此血管路徑模擬手術(shù)中PCI治療過(guò)程，將此過(guò)程完整地展現(xiàn)在患者的面前，加深患者及家屬對(duì)PCI治療過(guò)程的了解，為患者及其家屬提供視覺(jué)和觸覺(jué)上的直觀理解，更好地了解及配合手術(shù)治療方案，并可在模擬PCI治療的同時(shí)講述在此過(guò)程中可能發(fā)生的并發(fā)癥及相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，如血管損傷、心律失常及心力衰竭等。在實(shí)體模擬操作PCI的過(guò)程中與患者溝通，使患者理解此操作過(guò)程的復(fù)雜性和不可控性，希望患者理解、支持醫(yī)生的工作，可起到緩解醫(yī)患矛盾、減少醫(yī)療糾紛的作用。

有研究表明，三維打印模型的使用可以顯著提高在醫(yī)患溝通中患者及家屬的滿意程度［20］。同時(shí)Biglino等［21］還發(fā)現(xiàn)結(jié)合三維打印與CMR打印出患兒先天心臟病模型，可增進(jìn)患兒家長(zhǎng)與醫(yī)師之間的病情交流，讓家長(zhǎng)充分了解該疾病的發(fā)生進(jìn)展情況，提高藥物治療依從性，對(duì)促進(jìn)醫(yī)患和諧起到積極作用。因此，三維打印模型對(duì)改善醫(yī)患關(guān)系起到重要的輔助作用。使用三維打印模型輔助PCI手術(shù)教學(xué)流程如圖4所示。

圖4　三維打印模型輔助PCI手術(shù)教學(xué)流程對(duì)比框圖

3.3用于手術(shù)預(yù)演

三維打印實(shí)體模型可以對(duì)術(shù)前影像進(jìn)行三維實(shí)物重現(xiàn)，其仿真性高，可直觀觀察、分析病變及其與周圍組織及結(jié)構(gòu)的關(guān)系，讓醫(yī)師真實(shí)全面地了解冠狀動(dòng)脈結(jié)構(gòu)，制定各種手術(shù)方案。三維打印技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)術(shù)前個(gè)體化設(shè)計(jì)、進(jìn)行手術(shù)預(yù)演、精準(zhǔn)手術(shù)過(guò)程、縮短手術(shù)時(shí)間、減少醫(yī)源性損傷以及提高手術(shù)效率等優(yōu)點(diǎn)，臨床應(yīng)用價(jià)值較高。臨床上已有多個(gè)科室將三維打印應(yīng)用于手術(shù)預(yù)演，如復(fù)雜骨折的內(nèi)固定、骨骼畸形矯正、心臟瓣膜置換及室間隔封堵等。外科醫(yī)師可以直觀的觀察病變部位，而心內(nèi)科醫(yī)師多依靠感覺(jué)、經(jīng)驗(yàn)操作，故PCI手術(shù)對(duì)心血管內(nèi)科醫(yī)師要求極高，特別是遇到棘手的患者，比如冠脈多只多處病變，冠脈畸形等，常常會(huì)讓心內(nèi)科醫(yī)師底氣不足，沒(méi)有十足的把握。采用SLA光敏樹(shù)脂材料的光固化三維打印技術(shù)，可以通過(guò)患者冠狀動(dòng)脈CT血管造影（CT angiography，CTA）或磁共振血管造影（magnetic resonance angiography，MRA）的掃描數(shù)據(jù)從而制作患者的PCI血管路徑三維模型，可精確顯示患者的心血管解剖結(jié)構(gòu)，更加直觀的了解冠狀動(dòng)脈的解剖，狹窄部位和程度。醫(yī)師可以利用導(dǎo)絲來(lái)進(jìn)行PCI手術(shù)預(yù)演，該在何處放置支架，如何放置，從而預(yù)測(cè)手術(shù)難度及手術(shù)效果，指導(dǎo)術(shù)者進(jìn)行手術(shù)方案的制定。數(shù)位心血管專家可以同時(shí)進(jìn)行操作預(yù)演，全科室進(jìn)行病例討論，制定手術(shù)方案，探討各自的體驗(yàn)，增進(jìn)交流，提高手術(shù)成功率。Tam等［22］發(fā)現(xiàn)，利用微型品制造、三維打印技術(shù)和圖像重建技術(shù)可打印具有三維微通道的體外微流體模型，通過(guò)模擬冠心病金屬支架植入血管的過(guò)程來(lái)了解支架放置的最適部位，可最大限度減少支架再狹窄率。Shi等［23］報(bào)道，三維技術(shù)打印針對(duì)不同患者的定制化支架也可降低支架內(nèi)的再狹窄率，表明三維打印技術(shù)結(jié)合圖像重建在PCI方向的研究非常具有前景。手術(shù)模型效果如圖5所示。

圖5　三維打印模型對(duì)應(yīng)術(shù)中模擬操作效果圖

4　三維打印技術(shù)展望

三維打印技術(shù)不僅可以應(yīng)用于心臟外科、骨科術(shù)前診斷、手術(shù)模擬及疾病治療，還可以應(yīng)用于教學(xué)科研和醫(yī)患溝通等。依靠三維打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的模擬手術(shù)不僅使醫(yī)生充分了解和評(píng)估患者病情，更顛覆了傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教學(xué)模式，使得年輕醫(yī)生的成長(zhǎng)不再完全依賴于師徒教學(xué)。

三維打印技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)性心臟病，尤其是對(duì)復(fù)雜性和特殊的先天性心臟病的診治較其他影像學(xué)檢查具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，但在心血管病內(nèi)科領(lǐng)域的應(yīng)用目前尚未深入展開(kāi)。對(duì)冠心病患者而言，最大的價(jià)值或許在于PCI治療中的解剖關(guān)系顯露及模擬手術(shù)入路，幫助了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及畸形情況，指導(dǎo)治療策略制定。雖然三維打印技術(shù)是一項(xiàng)具有“工業(yè)革命”意義的高新制造技術(shù)，但作為一項(xiàng)新的技術(shù)，三維打印也存在許多問(wèn)題和不足，也面臨多方面的挑戰(zhàn)，如成本、材料及精細(xì)程度等在未來(lái)的研究中尚需進(jìn)一步發(fā)展與完善，以更好地發(fā)揮其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是心血管疾病研究中的應(yīng)用價(jià)值。

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WANG Qing-tao， WANG Yu-jing//
China Medical Equipment，2016，13（8）：129-133.

Under the guidance of three-dimensional images， and the superposition of special material step by step， three-dimensional entity model can be generated. It is a new technology which has been developing rapidly in recent years. Now 3-D printing products has penetrated into every aspect of our lives， at the same time， with the progressing of 3-D imaging technology and materials engineering， 3-D printing technology are gradually applying to medical practice，including the orthopaedics， treatment of congenital heart disease and valve replacement. There are few researches about the 3-D printing technology in the application of percutaneous coronary intervention （PCI）， so the paper is to preliminary explore the application of 3-D printing in PCI from three aspects of technology teaching， doctor-patient communication and surgical planning.

Three-dimensional printing； Percutaneous coronary intervention； Training model； Technical teaching

1672-8270（2016）08-0129-05 ［中圖分類號(hào)］R197.39

A

王慶濤，男，（1990- ），碩士研究生，醫(yī)師。長(zhǎng)江大學(xué)附屬第一醫(yī)院心內(nèi)科，從事心血管內(nèi)科及相關(guān)科研工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.08.041

①長(zhǎng)江大學(xué)附屬第一醫(yī)院心內(nèi)科 湖北 荊州 434000

496666462@qq.com

2016-05-06